Una nuova ricerca ha evidenziato che i buchi neri dovrebbero essere considerati sistemi dinamici, gettando luce sulla loro proprietà termodinamica. Questo studio estende anche queste proprietà agli oggetti estremamente compatti (ECO), contribuendo potenzialmente a risolvere il paradosso dell’informazione del buco nero e ad arricchire la nostra comprensione della gravità quantistica.
Nuovi indizi dalla termodinamica dei buchi neri
Un articolo pubblicato sulla rivista Physics Letters B ha sottolineato l’importanza di considerare i buchi neri come sistemi dinamici, in cui le variazioni nella loro geometria durante le emissioni di radiazioni sono fondamentali per descrivere accuratamente il loro comportamento termodinamico.
Lo studio ha suggerito anche che gli oggetti estremamente compatti (ECO) condividono queste proprietà termodinamiche con i buchi neri, indipendentemente dal loro stato di orizzonte degli eventi. Il significato di questa ricerca risiede nel suo contributo agli sforzi in corso per risolvere il paradosso dell’informazione del buco nero, fornendo una comprensione più sfumata della termodinamica nei contesti della gravità quantistica.
La ricerca, condotta dal dott. Christian Corda, professore ospite presso il Dipartimento di matematica e fisica della SUNY Poly, e dal dott. Carlo Cafaro (professore associato presso il Dipartimento di matematica e fisica della SUNY Poly e professore associato presso il Dipartimento di scienza e ingegneria su scala nanometrica dell’Università di Albany), ha sfruttato elementi di fisica quantistica, meccanica statistica e relatività generale.
La termodinamica dei buchi neri: una sfida per la fisica moderna
Uno dei problemi più importanti della fisica teorica contemporanea è capire cosa sia un buco nero (BH). Si ritiene che la relatività generale classica implichi che un BH sia un oggetto con un orizzonte, ovvero una superficie limite oltre la quale nessun evento può influenzare un osservatore esterno, e una singolarità nel suo nucleo, ovvero un punto in cui la presenza dell’infinito implica che le leggi della fisica falliscono.
D’altro canto, approcci recenti, sia classici che quantistici, hanno dimostrato che ciò che chiamiamo BH potrebbe essere un oggetto senza orizzonti e singolarità. Oggetti di questo tipo sono anche chiamati Extremely Compact Object (ECO), per distinguerli dal concetto “tradizionale” di BH.
Se da un lato questo approccio risolve alcuni problemi importanti, come la rimozione della singolarità e il conseguente ripristino delle leggi fisiche, dall’altro ne crea un altro: cosa fare di tutta la termodinamica di BH, sviluppata negli ultimi 50 anni e più, a partire dai lavori pionieristici e famosi dei defunti Bekenstein e Hawking, e basata su un numero enorme di articoli di ricerca?
Universalità della termodinamica dei buchi neri
Nel 2023, Samir Mathur e Madhur Mehta hanno dato una risposta importante a questa domanda vincendo il terzo premio al Gravity Research Foundation Essay Competition per aver dimostrato l’universalità della termodinamica BH.
Nello specifico, hanno dimostrato che qualsiasi ECO deve avere le stesse proprietà termodinamiche BH indipendentemente dal fatto che l’ECO possieda o meno un orizzonte degli eventi.
Il risultato è notevole, ma è stato ottenuto con l’approssimazione secondo cui lo spettro di emissione BH ha un carattere termico esatto. Infatti, forti argomentazioni basate sulla conservazione dell’energia e sulla retroreazione BH implicano che lo spettro della radiazione di Hawking non può essere esattamente termico.
Nel loro lavoro, i dottori Corda e Cafaro hanno esteso il risultato di Mathur e Mehta al caso in cui lo spettro di radiazione non è esattamente termico utilizzando il concetto di stato dinamico BH.
Lo stato dinamico BH si ottiene introducendo una temperatura effettiva. Questo è in analogia con molti altri campi della scienza in cui la deviazione dallo spettro termico del corpo emittente è solitamente considerata tramite l’introduzione di una temperatura effettiva che rappresenta la temperatura di un corpo nero che emette la stessa identica quantità di radiazione della sorgente non termica.
Nel caso BH, l’introduzione della temperatura effettiva consente l’introduzione di altre grandezze efficaci, che caratterizzano il suo “stato dinamico”, ovvero lo stato BH “durante” la transizione quantistica in cui l’energia viene emessa o assorbita. Questo articolo ha generalizzato e completato quindi il lavoro di Mathur e Mehta.
